一种微型CPT原子钟物理系统装置

一种微型cpt 原子钟物理系统装置
技术领域
1.本发明涉及相干布居囚禁(cpt)原子钟技术领域，具体为一种微型cpt原子钟物理系统装置。

背景技术：

2.cpt原子钟利用双光与原子作用获得作为微波频率鉴频信号的cpt共振信号，是一种不需要微波谐振腔的微波原子钟，因此易于实现小体积、低功耗原子钟，在通信网络系统和导航定位系统等方面具有较强的应用竞争力。
3.目前，流行微型cpt原子钟物理系统方案为微波调制垂直腔面发射激光器(vcsel)直流电流输出相干调频多光，其中两个与碱金属原子共振的光频成分，通常是
±
1阶边带，作为制备cpt态的相干双光，与碱金属原子作用后探测透射光束，从所获光电信号中提取cpt共振信号。
4.该方案存在两个不足之处：1、相干双光与碱金属原子作用光程短，导致所获cpt共振信号幅度较低；2、除了与碱金属原子共振的两光频成分外，相干调频多光还包含有与碱金属原子失谐的光频成分(通常是基频、
±
2阶边带、
±
3阶边带、
…
)透射后也被探测，导致所获cpt共振信号有较高的本底。

技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种微型cpt原子钟物理系统装置来解决上述cpt共振信号幅度较低以及存在较高本底噪声信号的问题。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微型cpt原子钟物理系统装置，包括bias-tee偏置器和vcsel激光器，所述bias-tee偏置器用于耦合直流电流和微波并输入至vcsel激光器，所述vcsel激光器用于输出相干调频多线偏振光；还包括沿vcsel激光器发射光路依次设置的透镜、衰减片、四分之一波片以及三角形原子气室；所述透镜用于将vcsel激光器发射的发散光转换为平行光束；所述衰减片用于调节光束光强的大小；所述四分之一波片用于将线偏振光转换为圆偏振光；
7.所述三角形原子气室内提供用于与圆偏振光共振的碱金属原子；所述三角形原子气室的三个顶角依次设有凹面部分反射部分透射镜、凹面反射镜、平面部分反射部分透射镜；所述平面部分反射部分透射镜的出射光路上设有光电探测器；所述圆偏振光光束沿凹面部分反射部分透射镜射入，经凹面反射镜反射后，入射至平面部分反射部分透射镜，部分透射出由光电探测器检测，部分反射后入射至凹面部分反射部分透射镜形成光学环路。
8.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
9.进一步，所述凹面部分反射部分透射镜、凹面反射镜、平面部分反射部分透射镜构成光学fp腔，所述光学fp腔腔长为三角形原子气室三边长之和，即fp腔腔长l＝l1+l2+l3。
10.根据权利要求所述的微型cpt原子钟物理系统装置，其特征在于，所述光学fp腔自由光谱程fsr：
[0011][0012]
所述碱金属原子用作cpt构型的两个低能态之间的频率差为v
hfs
；
[0013]
光学fp腔腔长l满足：
[0014][0015]
c为光速，即
[0016]
进一步，所述碱金属原子为
87
rb或
133
cs。
[0017]
进一步，所述三角形原子气室内还填充有惰性气体。
[0018]
进一步，所述惰性气体为ar或ne。
[0019]
进一步，所述三角形原子气室外层设置有螺线管线圈，所述螺线管线圈外设置有磁屏蔽壳。
[0020]
进一步，所述三角形原子气室与凹面部分反射部分透射镜、凹面反射镜、平面部分反射部分透射镜为一体集成式单片芯片。
[0021]
本发明的有益效果是：本发明涉及的微型cpt原子钟物理系统装置，将三角形碱金属原子气室与光学三角形fp腔结合，消除多光中的基频、偶数阶边带成分，cpt共振信号本底低；有效相干双光占激光总功率比例增大，cpt共振信号频移小；有效相干双光与碱金属原子多次作用，作用光程增加，提高cpt共振信号幅度。
附图说明
[0022]
图1为现有微型cpt原子钟物理系统装置；
[0023]
图2为本发明微型cpt原子钟物理系统装置整体结构示意图；
[0024]
图3(a)为本发明装置fp腔腔长示意图，图3(b)为圆偏振光与碱金属原子作用原理图，|1》和|2》分别为碱金属原子基态磁量子数m＝0的两个能级，|3》为碱金属原子激发态f＝2、磁量子数m＝1的能级，v
hfs
为能级|1》和|2》之间对应的频率差，v1、v2分别与相干双光(
±
1阶边带)耦合；
[0025]
图4为本发明vcsel激光器发出的调频相干多光的各阶边带频率与光学fp腔fsr之间的关系示意图，其中fsr表示光学fp腔的自由光谱程，纵坐标为fp腔的归一化透过率，横坐标数字表示第几阶边带、0表示基频；
[0026]
图5为本发明实施例中记录的cpt共振信号，图5(a)为图2装置获得的cpt共振信号；图5(b)为图1装置获得的cpt共振信号。
[0027]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0028]
1、bias-tee偏置器，2、vcsel激光器，3、透镜，4、衰减片，5、四分之一波片，6、三角形原子气室，7、凹面部分反射部分透射镜，8、凹面反射镜，9、平面部分反射部分透射镜，10、光电探测器，11、原子气室。
具体实施方式
[0029]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并
非用于限定本发明的范围。
[0030]
需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语中“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型结构。对于本领域的普通技术人员，可以根据具体情况理解该类术语在本专利中的具体含义。
[0031]
目前微型cpt原子钟物理系统方案如图1所示，存在cpt共振信号幅度较低以及存在较高本底信号两个主要问题。
[0032]
例如专利(cn102778839b)提供了一种实现正交圆偏振光同时与原子作用实现cpt共振信号的方案，能获得增强的cpt共振信号，提高cpt信号的信噪比和对比度。然而，该方案与碱金属原子失谐的光频成分被光电探测器探测，构成cpt信号的本底噪声、且有效光频成分与碱金属原子作用光程短，并未解决微型cpt原子钟物理系统存在的上述两个不足之处。
[0033]
专利(cn105242521a)提供了一种采用椭圆偏振光与原子共振，并对其产生的旋光效应进行差分探测的实现微型原子钟物理系统的方法，消除了由vcsel输出多光中与原子无相互作用光频成分产生的本底噪声，然而，该方法采用椭圆偏振光与原子相互作用，相比流行cpt原子钟方案的圆偏振光，获得的cpt共振信号幅度低，且增加了一个四分之一波片、偏振分束器和光电探测器，增加了物理系统的体积和复杂性。
[0034]
因此本发明为保持流行微型cpt原子钟物理系统cpt共振信号受环境磁场强度变化影响较小、激光频率易于实施稳频等优点，同时消除上述问题缺陷，具体提供了一种微型cpt原子钟物理系统装置来解决上述问题。
[0035]
本发明实施例如下：
[0036]
如图2所示，本发明设计的微型cpt原子钟物理系统装置，包括bias-tee偏置器1和vcsel激光器2，所述bias-tee偏置器1用于耦合直流电流和微波并输入至vcsel激光器2，设置输入直流电流1.2ma，设置输入微波频率为3.485ghz，vcsel激光器2型号为ulm795-01-tn，温度控制在30.5摄氏度；所述vcsel激光器2用于输出波长为794.98nm的相干调频多线偏振光；还包括沿vcsel激光器2发射光路依次设置的透镜3、衰减片4、四分之一波片5以及三角形原子气室6；所述透镜3用于将vcsel激光器2发射的发散光转换为平行光束；所述衰减片4用于调节光束光强的大小；所述四分之一波片5用于将线偏振光转换为圆偏振光。
[0037]
如图3所示，所述三角形原子气室6内提供用于与圆偏振光共振的碱金属原子；所述三角形原子气室6的三个顶角依次设有凹面部分反射部分透射镜7、凹面反射镜8、平面部分反射部分透射镜9；所述平面部分反射部分透射镜9的出射光路上设有光电探测器10；所述圆偏振光光束沿凹面部分反射部分透射镜7射入，经凹面反射镜8反射后，入射至平面部分反射部分透射镜9，部分透射出由光电探测器10检测，部分反射后入射至凹面部分反射部分透射镜7形成光学环路。
[0038]
其中，碱金属原子为
87
rb或
133
cs，优选为
87
rb原子；三角形原子气室6内还填充有惰性气体，惰性气体为ar或ne。
[0039]
具体的，凹面部分反射部分透射镜7、凹面反射镜8、平面部分反射部分透射镜9构成光学fp腔，所述光学fp腔腔长为三角形原子气室6三边长之和，即fp腔腔长l＝l1+l2+l3。
[0040]
光学fp腔自由光谱程：
[0041][0042]
所述碱金属原子用作cpt构型的两个低能态之间的频率差为v
hfs
；
[0043]
光学fp腔腔长l满足：
[0044][0045]
c为光速，即
[0046]
当满足上述条件时，vcsel激光器2输出的调频多光中的基数阶边带成分与光学fp腔共振，能透过该光学fp腔；而基频成分、偶数阶边带成分与光学fp腔失谐，将不能透过该光学fp腔，因此光电探测器10探测到的cpt共振信号的无用本底噪声将降低，从而提高了cpt共振信号质量。
[0047]
进一步，三角形原子气室6外层设置有螺线管线圈，所述螺线管线圈外设置有磁屏蔽壳，屏蔽外部环境磁场的干扰。
[0048]
本发明提供的微型cpt原子钟物理系统装置将碱金属原子气室与光学三角形法布里-珀罗谐振腔(fp腔)结合在一起，通过设置合适的光学fp腔长，使光学fp腔与vcsel激光器2发出的相干多光中的基数阶边带共振(包括
±
1阶边带，即有效相干双光)，而与偶数阶边带(基频、
±
2、
±
4阶边带、
…
)失谐，因此检测透射光信号消除了由偶数阶边带产生的本底噪声，获得的cpt共振信号本底降低。通过将有效相干双光占激光总功率比率提高，且相干双光与碱金属原子在三角形光学fp腔内多次作用，作用光程增加，有效提高cpt共振信号幅度，以实现频率稳定度更高的微型cpt原子钟。
[0049]
具体的，本实施例中凹面部分反射部分透射镜7反射率为95％，焦长10mm；凹面反射镜8的反射率大于99％，焦长15mm；平面部分反射部分透射镜9的反射率98％，光学fp腔腔长l设置为44mm，具体可参阅图3，l1为14mm、l2为15mm、l3为15mm。
87
rb原子用作cpt构型的两个低能态之间的频率差v
hfs
为6.8ghz，满足：
[0050][0051]
参阅图4，
±
1阶、
±
3阶等基数边带成分能透过fp腔，基频、
±
2阶等偶数边带成分不能透过fp腔，从而降低了光电探测器10探测到的cpt共振信号本底噪声，提高cpt共振信号质量。
[0052]
需要补充的是，三角形原子气室6与凹面部分反射部分透射镜7、凹面反射镜8、平面部分反射部分透射镜9为一体集成式单片芯片，可通过微机电系统(mems)技术集成，光学fp腔腔长通过mems技术进行设计和严格控制。
[0053]
图5为本实施例在相同实验条件下，实验记录的cpt共振信号，图5(a)为图2装置获得的cpt共振信号，图5(b)为图1装置获得的cpt共振信号，由图可知，本发明装置获得的cpt共振信号本底噪声为0.8v，而流行cpt物理系统本底噪声为1.8v，另外本发明装置相比流行装置获得的cpt共振信号幅度更大、信号线宽更窄，说明本发明装置能提高cpt共振信号质量，实现频率稳定度更优的微型cpt原子钟。
[0054]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和
原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种微型cpt原子钟物理系统装置，包括bias-tee偏置器(1)和vcsel激光器(2)，所述bias-tee偏置器(1)用于耦合直流电流和微波并输入至vcsel激光器(2)，所述vcsel激光器(2)用于输出相干调频多线偏振光；其特征在于，还包括沿vcsel激光器(2)发射光路依次设置的透镜(3)、衰减片(4)、四分之一波片(5)以及三角形原子气室(6)；所述透镜(3)用于将vcsel激光器(2)发射的发散光转换为平行光束；所述衰减片(4)用于调节光束光强的大小；所述四分之一波片(5)用于将线偏振光转换为圆偏振光；所述三角形原子气室(6)内提供用于与圆偏振光共振的碱金属原子；所述三角形原子气室(6)的三个顶角依次设有凹面部分反射部分透射镜(7)、凹面反射镜(8)、平面部分反射部分透射镜(9)；所述平面部分反射部分透射镜(9)的出射光路上设有光电探测器(10)；所述圆偏振光光束沿凹面部分反射部分透射镜(7)射入，经凹面反射镜(8)反射后，入射至平面部分反射部分透射镜(9)，部分透射出由光电探测器(10)检测，部分反射后入射至凹面部分反射部分透射镜(7)形成光学环路。2.根据权利要求1所述的微型cpt原子钟物理系统装置，其特征在于，所述凹面部分反射部分透射镜(7)、凹面反射镜(8)、平面部分反射部分透射镜(9)构成光学fp腔，所述光学fp腔腔长为三角形原子气室(6)三边长之和，即fp腔腔长l＝l1+l2+l3。3.根据权利要求2所述的微型cpt原子钟物理系统装置，其特征在于，所述光学fp腔自由光谱程fsr：所述碱金属原子用作cpt构型的两个低能态之间的频率差为v
hfs
；光学fp腔腔长l满足：c为光速，即4.根据权利要求1所述的微型cpt原子钟物理系统装置，其特征在于，所述碱金属原子为
87
rb或
133
cs。5.根据权利要求1所述的微型cpt原子钟物理系统装置，其特征在于，所述三角形原子气室(6)内还填充有惰性气体。6.根据权利要求5所述的微型cpt原子钟物理系统装置，其特征在于，所述惰性气体为ar或ne。7.根据权利要求1所述的微型cpt原子钟物理系统装置，其特征在于，所述三角形原子气室(6)外层设置有螺线管线圈，所述螺线管线圈外设置有磁屏蔽壳。8.根据权利要求1-7中任一项所述的微型cpt原子钟物理系统装置，其特征在于，所述三角形原子气室(6)与凹面部分反射部分透射镜(7)、凹面反射镜(8)、平面部分反射部分透射镜(9)为一体集成式单片芯片。

技术总结

本发明涉及相干布居囚禁(CPT)原子钟技术领域，具体为一种微型CPT原子钟物理系统装置，包括Bias-Tee偏置器和VCSEL激光器，所述Bias-Tee偏置器用于耦合直流电流和微波并输入至所述VCSEL激光器，所述VCSEL激光器用于输出相干调频多线偏振光；还包括沿VCSEL激光器发射光路依次设置的透镜、衰减片、四分之一波片以及三角形原子气室。本发明涉及的微型CPT原子钟物理系统装置，将三角形碱金属原子气室与光学三角形FP腔结合，消除多光中的基频、偶数阶边带成分，CPT共振信号本底低；有效相干双光占激光总功率比例增大，CPT共振信号频移小；有效相干双光与碱金属原子多次作用，作用光程增加，提高CPT共振信号幅度。提高CPT共振信号幅度。提高CPT共振信号幅度。